La protezione anti-islanding è una caratteristica di sicurezza obbligatoria in ogni inverter solare collegato alla rete, ma i suoi meccanismi sottostanti sono spesso poco compresi dagli EPC e dagli integratori di sistema. Questo articolo spiega cos'è l'islanding, come funzionano i metodi di rilevamento passivo e attivo, quali standard globali si applicano e come le serie SG-CX e SH di Sungrow implementano e certificano l'anti-islanding in più mercati.
Cos’è l’islanding e perché è pericoloso?
Isolarsi si verifica quando un inverter solare collegato alla rete continua a generare e fornire energia a una sezione della rete locale dopo che la rete pubblica è stata disconnessa, a causa di un'interruzione pianificata, di un guasto o del funzionamento di un relè di protezione a monte. L'inverter, ancora alimentato dal campo fotovoltaico, mantiene la tensione e la frequenza su quello che ritiene sia un segmento di rete attivo. In realtà, quel segmento è isolato dal sistema di servizi principale, formando di fatto una piccola “isola”.
Le conseguenze sono gravi. Lavoratori sul campo dei servizi pubblici operando su una linea che ritengono essere diseccitata, corrono il rischio di folgorazione a causa di un'isola alimentata da inverter che non possono prevedere. Richiuditori automatici — dispositivi di protezione che disconnettono e ricollegano brevemente una linea guasta per eliminare guasti transitori — possono tentare di rialimentare una linea sfasata rispetto all'isola, provocando un transitorio violento che danneggia le apparecchiature su entrambi i lati del richiusore. Disadattamento di fase tra l'isola e la rete di ritorno può distruggere motori, trasformatori e carichi sensibili collegati a valle.
Per questi motivi, praticamente ogni codice di rete in tutto il mondo impone che un inverter collegato alla rete rilevi la perdita del riferimento di rete e si disconnette entro un tempo definito, più comunemente 2 secondi di perdita di rete, sebbene la norma CEI 0-21 italiana richieda la disconnessione entro 0,1 secondi in specifiche condizioni di frequenza. La conformità viene verificata da laboratori di prova di tipo e confermata durante il processo di approvazione della connessione alla rete.
Rilevamento anti-islanding passivo
I metodi di rilevamento passivo funzionano monitorando continuamente i parametri di rete e facendo scattare l'inverter quando un parametro esce dalla sua normale finestra operativa. Non è necessaria alcuna perturbazione intenzionale dell'uscita dell'inverter: l'inverter semplicemente osserva e reagisce. I principali parametri passivi sono:
- Sovra/sottotensione (OUV): Se il carico dell'isola non corrisponde perfettamente alla potenza di uscita dell'inverter, la tensione subirà una deriva. L'inverter monitora la tensione CA e scatta se si sposta al di fuori di una banda definita (ad esempio, 85–110% del valore nominale).
- Sopra/sottofrequenza (OUF): Allo stesso modo, uno squilibrio di potenza nell’isola provoca una deriva della frequenza. L'inverter scatta per deviazione di frequenza (ad esempio, al di fuori di 47,5–51,5 Hz per un sistema a 50 Hz).
- Tasso di variazione della frequenza (ROCOF): Invece di attendere che la frequenza raggiunga la soglia di intervento, ROCOF rileva il tasso di variazione: una frequenza che cambia rapidamente segnala un'improvvisa perdita del riferimento di rete. I relè ROCOF sono ampiamente utilizzati nei mercati europei (VDE-AR-N 4105, G99).
- Spostamento del vettore: Rileva un salto improvviso nell'angolo di fase della forma d'onda di tensione, che si verifica quando la rete si disconnette e il sistema in isola perde il riferimento di fase. Particolarmente efficace nel rilevare eventi di rete di grandi dimensioni.
I metodi passivi sono computazionalmente semplici, non aggiungono rumore alla rete e rispondono rapidamente quando esiste uno squilibrio di potenza significativo. Il loro punto debole è il zona di non rilevamento (NDZ): se il carico dell'isola corrisponde molto bene alla potenza attiva e reattiva dell'inverter al momento della disconnessione, la tensione e la frequenza potrebbero rimanere all'interno della normale banda di funzionamento per un tempo indefinito. Il problema NDZ è la motivazione principale per aggiungere metodi di rilevamento attivi accanto a quelli passivi.
Rilevamento anti-islanding attivo
I metodi attivi introducono deliberatamente una piccola perturbazione controllata nell'uscita dell'inverter. Quando l'inverter è collegato alla rete, la grande impedenza apparente della rete assorbe la perturbazione senza effetti misurabili. Quando è in isola, la perturbazione si accumula – portando la tensione o la frequenza al di fuori della banda normale – e l'inverter rileva la propria deviazione crescente e scatta. Le tecniche attive comuni includono:
- Deriva di frequenza attiva (AFD / AFDPF): L'inverter introduce una leggera polarizzazione positiva o negativa alla frequenza di uscita, spingendo la frequenza di un sistema in isola verso la soglia di intervento più velocemente della sola deriva naturale.
- Spostamento di frequenza in modalità Slip (SMS): Il circuito ad aggancio di fase dell'inverter è polarizzato in modo tale che, in condizioni di isola, la frequenza devia in una direzione prevedibile, accelerando il rilevamento. L'SMS è uno dei metodi attivi più utilizzati negli inverter certificati europei e australiani, inclusa la serie SG-CX di Sungrow.
- Variazione della potenza reattiva (RPV): L'inverter inietta un piccolo impulso di potenza reattiva; in condizioni in isola la deviazione di tensione risultante supera le soglie di rilevamento.
- Spostamento della frequenza Sandia (SFS): Una variante AFD migliorata in cui la polarizzazione della frequenza è proporzionale alla deviazione della frequenza osservata, fornendo un feedback positivo che porta rapidamente la frequenza isolata alla soglia di intervento rimanendo praticamente impercettibile su una rete attiva.
I metodi attivi eliminano efficacemente la NDZ e sono richiesti dalla maggior parte dei codici di rete attuali insieme alla protezione passiva. Il compromesso è un grado molto piccolo di perturbazione della qualità dell’energia – misurato in frazioni di percentuale della potenza nominale – che rientra ampiamente nei limiti definiti dalla norma IEC 62116 e impercettibile nella pratica.
Standard globali anti-islanding
I requisiti anti-islanding sono stabiliti dai codici di rete regionali e supportati da standard di test internazionali. La tabella seguente riassume i quadri più rilevanti per gli EPC solari che operano in più mercati.
| Norma | Regione | Tempo di viaggio massimo | Requisito chiave |
|---|---|---|---|
| IEEE 1547-2018 | Stati Uniti | 2 secondi | OUV, OUF più metodo attivo; categorie di prestazione A/B/C |
| VDE-AR-N 4105 | Germania | 5 secondi | ROCOF più spostamento vettoriale; finestre di intervento specifiche di tensione/frequenza |
| AS/NZS 4777.2 | Australia/Nuova Zelanda | 2 secondi | OUV, OUF, metodo attivo; Risposta volt-VAr integrata |
| CEI 62116 | Internazionale | 2 secondi | Procedura di test che definisce la verifica NDZ per qualsiasi metodo di rilevamento |
| G99/G100 | Regno Unito | 2 secondi | OUV, OUF, ROCOF; perdita della protezione di rete obbligatoria sopra i 16 A |
| CEI0-21 | Italia | 0,1 secondi | Limiti di frequenza rigidi; tempo di viaggio obbligatorio più veloce a livello globale |
IEC 62116 è lo standard della procedura di test piuttosto che un codice di rete: definisce come qualsiasi metodo anti-islanding deve essere convalidato in un ambiente di prova di tipo utilizzando un carico RLC risonante per simulare le condizioni NDZ peggiori. Gli inverter certificati secondo la norma IEC 62116 hanno dimostrato che la combinazione scelta di metodi passivi e attivi rileva l'isola entro il limite di tempo dello standard anche quando generazione e carico sono bilanciati. Questo certificato è generalmente richiesto come parte di una richiesta di connessione alla rete G99 o AS/NZS 4777.
Come gli inverter Sungrow implementano l'anti-islanding
Quello di Sungrow Serie SG-CX inverter di stringa commerciali e Serie SH Gli inverter ibridi implementano l'anti-islanding attraverso un approccio a più livelli che combina il monitoraggio passivo OUV/OUF/ROCOF con la perturbazione attiva SMS o AFD. La combinazione specifica dipende dalla versione del mercato e dal codice di rete applicabile. Le varianti firmware specifiche del mercato sono preconfigurate con le soglie di intervento corrette, la sensibilità ROCOF e i parametri del metodo attivo per il paese di destinazione: gli EPC non devono configurarli manualmente al momento della messa in servizio, a meno che un DNO non richieda impostazioni non standard.
La copertura della certificazione per le attuali piattaforme di stringhe e ibride di Sungrow include IEC 62116, IEEE 1547-2018, VDE-AR-N 4105 e AS/NZS 4777.2, con certificati di prova di tipo specifici per paese disponibili su richiesta tramite Econo Solar. Poiché il firmware anti-islanding è legato alla versione di mercato di un'unità, è importante confermare che la variante nazionale corretta sia ordinata in fase di preventivo; in alcuni casi è possibile aggiornare una variante firmware dopo la consegna ma richiede l'autorizzazione della fabbrica.
Per la scala di utilità inverter centrale e di stringa implementazioni, il controller dell'impianto di Sungrow può integrare l'anti-islanding a livello di inverter con ROCOF aggiuntivo e protezione relè a spostamento vettoriale nel punto di connessione, fornendo un'architettura di difesa approfondita che soddisfa i rigorosi requisiti di interconnessione. Le impostazioni sono configurabili tramite iSolarCloud o Modbus TCP, e può essere regolato da personale autorizzato dotato di apposite credenziali di accesso.
Messa in servizio e test della protezione anti-islanding
La verifica del comportamento anti-islanding durante i test di accettazione del sito (SAT) è un requisito di connessione alla rete nella maggior parte delle giurisdizioni e una necessità pratica prima dell'approvazione della messa in servizio. L'approccio di verifica standard a cui fa riferimento la norma IEC 62116 utilizza a simulatore di griglia oppure un test di intervento del relè controllato per confermare che l'inverter si disconnette entro l'intervallo di tempo imposto dal codice in condizioni di carico quasi bilanciato.
La pratica procedura SAT per la maggior parte dei progetti prevede tre passaggi: in primo luogo, verificare che la versione del firmware dell'inverter corrisponda alla variante testata e approvata; in secondo luogo, eseguire un test di sgancio del relè aprendo l'interruttore della rete a monte mentre l'inverter sta generando a un livello di uscita rappresentativo (tipicamente il 50–100% della potenza nominale) e verificare che l'inverter emetta uno sgancio anti-isola entro il tempo richiesto; in terzo luogo, documentare il tempo di intervento, il metodo utilizzato e la versione del firmware nel rapporto di messa in servizio da inviare al DNO o all'operatore di rete.
Per i progetti in cui il DNO richiede test assistiti (comuni nel Regno Unito nell'ambito del G99 e in Australia nell'ambito degli accordi di connessione AS/NZS 4777) Econo Solar può fornire i certificati di prova di tipo e i modelli di documentazione di messa in servizio che gli operatori di rete si aspettano. Garantire che questa documentazione sia preparata prima della data SAT evita la causa più comune di ritardi nella messa in servizio di progetti fotovoltaici commerciali di medie e grandi dimensioni.